Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры
Владельцы патента RU 2345294:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к теплообменным устройствам на основе тепловых труб, которые могут использоваться для охлаждения электронных устройств, электротехнических и других тепловыделяющих агрегатов, а также относится к технике теплообменных устройств, используемых для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры. Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры содержит радиатор, теплопринимающее основание, теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей контакт с теплопринимающим основанием и выполненной из корпуса с фитилем капиллярной структуры, и батарею многоэлементных термоэлектрических генераторов, расположенных на конденсаторной части тепловой трубы и соединенных с радиатором. Между корпусом тепловой трубы и фитилем капиллярной структуры расположен электроизоляционный высокотеплопроводный слой. Корпус конденсаторной части тепловой трубы выполнен в виде решетчатой структуры, в окнах которой установлены термоэлектрические генераторы, образующие батарею и скрепленные с электроизоляционным высокотеплопроводным слоем. Использование изобретения позволит упростить конструкцию, снизить энергетические затраты на охлаждение, обеспечить использование отводимого тепла для производства электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к теплообменным устройствам на основе тепловых труб, которые могут использоваться для охлаждения электронных устройств, электротехнических и других тепловыделяющих агрегатов, а также относится к технике теплообменных устройств, используемых для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры.
Известно устройство на основе тепловой трубы, предназначенное для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры (Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1979, рис.43, стр.93), содержащее плоскую тепловую трубу, на конденсаторную часть которой установлены оребренные радиаторы, стянутые винтами. Тепловыделяющие элементы приклеиваются к свободной от радиаторов поверхности с одной или с двух сторон.
Основными недостатками данного устройства являются недостаточная надежность крепления тепловыделяющих элементов к поверхности тепловой трубы, а также то, что все отводимое тепло от тепловыделяющих элементов сбрасывается в окружающее пространство, хотя часть этого тепла может быть использована.
Известно устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора (заявка на патент США - US №2001/001981, опубл. 31.05.2001 г., фиг.4 и 13), содержащее радиатор, выполненный в виде набора горизонтально расположенных теплопроводящих ребер, нанизанных на теплопередающий элемент, выполненный в виде одной или нескольких U- или V-образных тепловых труб круглого сечения, вертикально установленных на горизонтальном теплопринимающем основании, направляющий воздухопровод, расположенный горизонтально, осевой вентилятор, установленный на радиаторе, продольная ось которого расположена горизонтально. Ось вращения вентилятора расположена на продольной оси радиатора и направлена параллельно плоскости теплопринимающего основания. Тепловые трубы имеют тепловой контакт своей нижней изогнутой частью с теплопринимающим основанием, на котором укреплен кристалл процессора. Направленные кверху боковые ветви тепловых труб контактируют своей поверхностью с теми участками ребер радиатора, которые находятся внутри радиатора в его средней части, то есть в зоне, находящейся между его периметром и его горизонтально расположенной продольной осью. Радиатор, составленный из вертикального ряда горизонтально расположенных ребер, имеет прямоугольный периметр, расположенный вокруг его продольной геометрической оси.
Данное устройство имеет ряд недостатков: для интенсификации процесса охлаждения используется обдув радиатора воздухом, который подается с помощью осевого вентилятора, на привод которого потребляется электрическая энергия; все отводимое тепло от процессора сбрасывается в окружающее пространство, хотя часть этого тепла может быть утилизирована.
Известно устройство (патент RU 2263371, B01L 23/34, опубл. 27.10. 2005 г.), используемое для охлаждения кристалла компьютерного процессора, содержащее радиатор с ребрами, теплопринимающее основание и теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей тепловой контакт с теплопринимающим основанием и с ребрами радиатора, осевой вентилятор, расположенный на продольной оси радиатора, кристалл процессора.
Данное устройство имеет ряд недостатков: сложность конструкции устройства; для интенсификации процесса охлаждения используется обдув радиатора воздухом; тепло, отводимое от электронного устройства, сбрасывается в окружающее пространство.
Известно устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры (патент RU 60271 U1, H01L 23/34, опубл. 10.01.2007 г.- прототип), содержащее радиатор, теплопринимающее основание, теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей контакт с теплопринимающим основанием и выполненной из корпуса с фитилем капиллярной структуры, снабженное батарей многоэлементных термоэлектрических генераторов, расположенных на конденсаторной части тепловой трубы и соединенных с радиатором.
Данное устройство имеет ряд недостатков: сложность конструкции устройства; тепло, отводимое от электронного устройства, сбрасывается в окружающее пространство, хотя часть этого тепла может использоваться для производства электрической энергии.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в устранении вышеперечисленных недостатков, а именно: упрощение конструкции, снижение энергетических затрат на охлаждение, использование отводимого тепла для производства электроэнергии.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры содержит радиатор, теплопринимающее основание, теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей контакт с теплопринимающим основанием и выполненной из корпуса с фитилем капиллярной структуры, и батарею многоэлементных термоэлектрических генераторов, расположенных на конденсаторной части тепловой трубы и соединенных с радиатором, согласно изобретению между корпусом тепловой трубы и фитилем капиллярной структуры расположен электроизоляционный высокотеплопроводный слой, корпус конденсаторной части тепловой трубы выполнен в виде решетчатой структуры, в окнах которой установлены термоэлектрические генераторы, образующие батарею и скрепленные с электроизоляционным высокотеплопроводным слоем.
Другой особенностью устройства является то, что термоэлементы батареи термоэлектрических генераторов изготовлены из полимерных материалов.
Кроме того, термоэлементы батареи термоэлектрических генераторов изготовлены из полимерных или наноструктурированных материалов.
Технический результат предлагаемого изобретения выражается в упрощении конструкции теплоотводящего узла, исключении из системы охлаждения потребителей электрической энергии, например вентилятора. Разработанное устройство позволяет использовать часть отводимого тепла для производства электрической энергии.
Упрощение конструкции теплоотводящего узла достигается тем, что теплопередающий элемент - тепловая труба выполнена, например, в виде плоской панели, за счет этого увеличивается полезная площадь контакта тепловой трубы с теплопринимающим основанием. Это позволяет также использовать упрощенные способы установки элементов на тепловую трубу.
Исключение из системы охлаждения потребителей электрической энергии достигается тем, что часть отводимого тепла преобразуется в электрическую энергию в батарее термоэлектрических генераторов и для рассеивания оставшегося тепла использованы радиаторы, охлаждаемые за счет свободной конвекции воздуха. Также данный эффект достигается за счет использования развитой поверхности теплообмена, обеспечиваемой конструкцией радиатора.
Использование части отводимого от тепловыделяющей аппаратуры тепла для производства электрической энергии достигается тем, что в устройство введен новый элемент - батарея термоэлектрических генераторов, преобразующих тепло, проходящее через них, в электрическую энергию за счет эффекта Зеебека. Полученная электрическая энергия может быть использована в системе энергоснабжения тепловыделяющей аппаратуры.
Достигнутый технический результат может быть усилен, если между корпусом тепловой трубы и фитилем капиллярной структуры расположить электроизоляционный высокотеплопроводный слой, корпус конденсаторной части тепловой трубы выполнить в виде решетчатой структуры, в окнах которой устанавливаются термоэлектрические генераторы, образующие батарею и скрепленные с электроизоляционным высокотеплопроводным слоем. За счет использования данной конструкции уменьшается масса устройства, так как батарея термоэлектрических генераторов частично выполняет функцию несущей конструкции корпуса конденсаторной части тепловой трубы и масса корпуса уменьшена за счет применения решетчатой структуры без снижения прочности корпуса. Применение данной конструкции обеспечивает снижение термических сопротивлений между тепловыделяющей аппаратурой и батареей термоэлектрических генераторов, снижает утечки тепловой энергии, не используемой для производства электрической энергии, а это, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности работы термоэлектрических генераторов.
Для повышения эффективности использования поверхности контакта теплопринимающего основания с тепловой трубой и повышения эффективности использования окружающего устройство пространства могут быть использованы следующие формы тепловой трубы: прямоугольная и коаксиальная.
Для увеличения теплосъема с радиатора радиаторная решетка может быть выполнена пластинчатой или игольчатой.
Для повышения эффективности работы батареи термоэлектрических генераторов термоэлементы могут быть выполнены каскадными.
Для снижения стоимости батареи термоэлектрических генераторов термоэлементы могут быть выполнены из полимерных материалов.
Для повышения эффективности работы батареи термоэлектрических генераторов термоэлементы могут быть выполнены из наноструктурированных материалов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показано устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры, в котором батарея термоэлектрических генераторов соединена с конденсаторной частью тепловой трубы в виде разъемного соединения; на фиг.2 дан вид сбоку на устройство с фиг.1; на фиг.3 дан вид сверху на устройство, в котором корпус конденсаторной части тепловой трубы образован батареей термоэлектрических генераторов; на фиг.4 - вид по А-А на устройство с фиг.3; на фиг.5 представлен вид сверху на устройство, в котором корпус тепловой трубы выполнен прямоугольным, а радиатор выполнен игольчатым; на фиг.6 показано то же устройство, в котором корпус тепловой трубы выполнен коаксиальным, а радиатор выполнен пластинчатым; на фиг.7 - вид по Б-Б на устройство с фиг.6.
Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры, представленное на фиг.1, содержит теплопринимающее основание 1, теплопередающий элемент типа тепловой трубы 2, имеющей тепловой контакт в зоне испарения с теплопринимающим основанием 1. Тепловая труба 2 выполнена в виде плоской панели. На конденсаторной части тепловой трубы 2 установлена батарея термоэлектрических генераторов 3, которая имеет тепловой контакт с радиатором 4. Тепловыделяющая аппаратура 5 устанавливается на теплопринимающее основание 1. Внутри тепловой трубы 2 расположен фитиль капиллярной структуры 6.
Корпус конденсаторной части тепловой трубы 2 (фиг.4) состоит из решетчатой структуры 7, в окна которой установлены батареи термоэлектрических генераторов 3, которая вместе с герметичным электроизоляционным высокотеплопроводным слоем 8 образует корпус конденсаторной части тепловой трубы.
Корпус тепловой трубы 2 выполнен прямоугольным, а радиатор 4 выполнен игольчатым (фиг.5). Корпус тепловой трубы 2 выполнен коаксиальным, а радиатор 4 - пластинчатым (фиг.7).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В процессе работы блок тепловыделяющей аппаратуры 5 нагревается, выработанное тепло воспринимается теплопринимающим основанием 1. От теплопринимающего основания тепло переходит к испарительной части тепловой трубы 2. Рабочее тело, находящееся в испарительной части тепловой трубы 2, испаряется и в виде пара по паровому каналу поступает в зону конденсации тепловой трубы 2, где конденсируется, отдавая полученное в испарительной зоне тепло корпусу конденсаторной части тепловой трубы, затем рабочее тело по фитилю капиллярной структуры 6 возвращается в испарительную часть тепловой трубы 2. От корпуса тепло переходит к батарее термоэлектрических генераторов 3. Тепловой поток проходит по элементам термоэлектрических батарей, создавая на них перепад температур, который обуславливает за счет эффекта Зеебека генерацию термоЭДС. В полезную нагрузку поступает полученная электрическая энергия, которая может быть использована также в работе тепловыделяющей аппаратуры 5. Отработанная тепловая энергия поступает на охлаждающий радиатор 4 и далее отводится в окружающее пространство.
Корпус конденсаторной части тепловой трубы 2, имеющий решетчатую структуру 7 (фиг.4), играет роль несущей конструкции, а окна, образованные решетчатой структурой 7, используются для установки термоэлектрических генераторов батареи. Электроизоляционный высокотеплопроводный слой 8 воспринимает тепло, выделяющееся при конденсации рабочего тела в конденсаторной части тепловой трубы 2, и передает его термоэлектрическим генераторам батареи.
Промышленная применимость.
Предлагаемое устройство может быть использовано для охлаждения устройств, требующих интенсивное охлаждение и для которых важную роль играет надежность обеспечиваемого охлаждения и экономия потребляемой для этого электрической энергии. Устройство может быть применено для охлаждения конструкций, для которых важную роль играет энергосбережение, так как данное устройство позволяет подключить к системе энергоснабжения аппаратуры дополнительный источник энергии, работающий на вырабатываемом аппаратурой тепле. Устройство может быть использовано для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, полупроводниковых устройств, средств связи.
1. Устройство для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры, содержащее радиатор, теплопринимающее основание, теплопередающий элемент типа тепловой трубы, имеющей контакт с теплопринимающим основанием и выполненной из корпуса с фитилем капиллярной структуры, и батарею многоэлементных термоэлектрических генераторов, расположенных на конденсаторной части тепловой трубы и соединенных с радиатором, отличающееся тем, что между корпусом тепловой трубы и фитилем капиллярной структуры расположен электроизоляционный высокотеплопроводный слой, корпус конденсаторной части тепловой трубы выполнен в виде решетчатой структуры, в окнах которой установлены термоэлектрические генераторы, образующие батарею и скрепленные с электроизоляционным высокотеплопроводным слоем.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоэлементы батареи термоэлектрических генераторов изготовлены из полимерных материалов.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоэлементы батареи термоэлектрических генераторов изготовлены из наноструктурированных материалов.
